DE4037934A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen erfassung der aeusseren kontur eines langgestreckten koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung der äußeren Kontur eines langgestreckten Körpers gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Ein gattungsmäßiges Verfahren ist aus der DE 35 10 644 bekannt. Mit diesem Verfahren werden Werkstücke, insbesondere rotationssymmetrische Werkstücke vermessen, und zwar in der Weise, daß optische Schnitte senkrecht zu einer bevorzugten Werkstückachse auf mindestens zwei jeweils in der Schnittebene angeordnete optoelektronische Wandler abgebildet und die Ausgangssignale der Wandler der jeweiligen Position der parallel zur Achse verschiebbar angeordneten Wandler zugeordnet werden. Mit diesem System von zwei in einer Ebene senkrecht übereinander angeordneter, entlang eines Linearmaßstabes verschiebbaren optoelektronischen Wandlern kann mit ausreichender Genauigkeit die äußere Kontur eines langgestreckten Körpers erfaßt werden. Es ist aber nicht geeignet zur Erfassung der Kontur eines Körpers, die sich unter Belastung schnell verändert, da die Taktzeit für die Verschiebung der optoelektronischen Wandler in bezug auf die schnelle zeitliche Änderung viel zu lang ist. In der bereits genannten Schrift wird alternativ zur Beschleunigung des Verfahrens vorgeschlagen, entlang des Linearmaßstabes eine Vielzahl von optoelektronischen Wandlern ortsfest anzuordnen, die gleichzeitig die in ihrem Bereich liegende Querschnittslänge ermitteln können. Diese Lösung ist aber apparativ sehr aufwendig und die damit erfaßte Kontur sehr ungenau, da aus Platzgründen nur eine bestimmte Anzahl von optoelektronischen Wandlern angeordnet werden kann und dementsprechend die Belegungsdichte der Meßebenen beschränkt ist. Eine hohe Belegungsdichte der Meßebenen ist aber bei Körpern mit einer zeitlich sich rasch ändernden Kontur unabdingbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur berührungslosen Erfassung der äußeren Kontur eines langgestreckten Körpers anzugeben, mit dem der zeitliche Verlauf eines unter Belastung seine äußere Kontur rasch ändernden Körpers mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Bei einem Zugversuch ändert sich unter Belastung die äußere Kontur des Probestabes in Form einer Einschnürung, insbesondere beim Einsetzen der plastischen Verformung bis zum Zerreißen des Probestabes. Für die Bestimmung der Brucheinschnürung ist es von außerordentlicher Wichtigkeit möglichst genau die zeitliche Veränderung der Kontur im Einschnürbereich in der Schlußphase des Zugversuches zu erfassen. Bisher hatte man sich damit begnügt, die Proben nach dem Zerreißen mittels taktiler Meßzeuge zu vermessen. Dieses Verfahren ist sehr ungenau, da die taktilen Meßzeuge an die gekrümmte Oberfläche schlecht angelegt werden können und außerdem erhält man nur den Endwert der Einschnürung, aber nicht die zeitliche Abfolge. Für die Beurteilung des Fließverhaltens des Werkstoffes ist aber nicht nur der Endwert der Einschnürung, sondern maßgeblich die zeitliche Abfolge der Querschnittsveränderung von Bedeutung.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, eine Vielzahl über die Länge des Körpers verteilter optischer Schnitte in kurzer Taktfolge zeilenweise nacheinander elektronisch abzufragen und beim seriellen Einlesen der den Belichtungszustand charakterisierenden Spannungswerte je Zeile die Signale direkt (on-line) so zu bewerten, daß die Gesamtinformation je Zeile auf die Ermittlung der Lage der Kanten des Körpers beschränkt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Signalverarbeitung auf die Beobachtung der sich ändernden Kanten reduziert wird und man trotzdem ein recht genaues Abbild der Querschnittsfläche des Körpers erhält. Man kann das Verfahren in der Weise verbessern, daß man im Verlauf der Messung das auszuwertende Meßfenster in Längsachse des Körpers einengt und auf den die Konturänderung charakterisierenden Bereich des Körpers beschränkt. Der letztgenannte Punkt ist bei einem Zugversuch sehr wesentlich, da wegen der Unkenntnis des genauen Ortes der Einschnürstelle, der nur im Idealfall genau in der Mitte der Probenlängsachse liegt, man im Anfang das auszuwertende Meßfenster möglichst groß machen muß, um erst einmal den zwischen den Einspannstellen liegenden Bereich vollständig zu erfassen. In dem Maße wie sich die Einschnürstelle ausbildet, kann man das Meßfenster mehr und mehr auf diesen Bereich einschränken. Die Verkleinerung des auszuwertenden Meßfensters erfolgt in der Weise, daß zu Beginn der Ausbildung einer Einschnürstelle mindestens ein oder mehrere optische Schnitte die kleinsten Breiten gegenüber den benachbarten optischen Schnitten aufweisen. Diese Stelle wird im Rechner gespeichert und z. B. 100 Zeilen darüber und darunter für das auszuwertende Meßfenster festgelegt. Zu Beginn einer Meßserie von gleichen Zugproben wird man das auszuwertende Meßfenster erst einmal etwas größer wählen. Mit steigender Anzahl von Meßwerten kann man einen sogenannten Erwartungsbereich für eine bestimmte Zugprobe im Rechner abspeichern und dementsprechend die notwendige Meßfenstergröße weiter verkleinern. Zur Kontrolle des Verfahrens wird man unabhängig davon einige ausgesuchte optische Schnitte weit entfernt von der Einschnürstelle weiterhin mit erfassen und auswerten. Die Verkleinerung des Meßfensters hat den Vorteil, daß die Anzahl der zu verarbeitenden Signale reduziert wird und man dementsprechend die Meßfrequenz erhöhen kann. Da die Einschnürung in der Schlußphase im Millisekundenbereich abläuft, ist deshalb eine Meßfrequenz von mindestens 20 Hz erforderlich.

Prinzipiell ist eine solche Meßaufgabe auch mit einem sowohl von der verarbeitbaren Bildgröße als auch von der erforderlichen Rechenleistung sehr anspruchsvollen Bildverarbeitungssystem lösbar. Solche Systeme sind wegen des erforderlichen großen Bildspeichers und der hohen Datenraten aber sehr teuer. Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Konturverlaufes nur die Auswertung der optischen Schnitte, d. h. der Zeilen der Matrixkamera erforderlich. Diese eindimensionale Auswertung wird mit hoher Genauigkeit on-line mit einer einfachen und kostengünstigen Geräteausstattung realisiert.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer an sich bekannten CCD-Kamera mit einem flächigen Matrixsensor, dessen Zeilen senkrecht zur Längsachse des Körpers angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist dieser Matrixsensor 625 Zeilen auf, so daß sich über die Optik eine gleichmäßige Verteilung von 625 optischen Schnitten entlang der Längsachse des Körpers ergibt. Jede Zeile des Matrixsensors wird mit 2048 Pixel digitalisiert, so daß die Meßwertauflösung 0,5% des Meßbereiches beträgt. Zur Erhöhung des Meßkomforts wird weiterbildend vorgeschlagen, im rechten Winkel zur ersten CCD-Kamera eine weitere CCD-Kamera ortsfest anzuordnen, die ebenfalls mit einem flächigen Matrixsensor bestückt ist, dessen Zeilen aber parallel zur Längsachse des Körpers liegen. Damit ist es möglich, zeitgleich zur Konturerfassung die Längenänderung des Körpers zwischen zwei am Körper angeordneten Meßmarken oder charakteristischen Konturstellen taktweise abzufragen. Für diese eindimensionale Meßaufgabe ist nur ein optischer Schnitt erforderlich. Hierzu ist im einfachsten Fall ein einzeiliger optoelektronischer Wandler ausreichend. Es hat sich im Hinblick auf das angestrebte Multiplex-Auswertesystem aber als vorteilhaft erwiesen auch dafür eine zweite CCD-Kamera mit einem flächigen Matrixsensor zu verwenden.

Die anfallenden Meßdaten bezüglich der Längenänderung des Körpers werden mit der die Änderung des Körpers verursachenden Belastung verknüpft, so daß man ein an sich bekanntes Spannungsdehnungsdiagramm erhält. Dieses mit diesem Meßverfahren erhaltene Diagramm ist sehr präzise und aussagekräftig, da die optische Erfassung der Längenänderung genauer ist im Vergleich zu der üblichen taktilen Meßwertaufnahme. Außerdem hat die taktile Meßwertaufnahme noch den Nachteil, daß das Meßgerät zu Beginn der plastischen Verformung abgenommen werden muß, damit es beim ruckartigen Zerreißen der Probe in der Schlußphase des Zugversuches nicht zerstört wird. Das beschriebene Meßverfahren ist auch für den Stauchversuch und für den Warmzugversuch geeignet. Für den letzteren Fall ist es erforderlich, daß in dem die Probe umgebenden Heizofen ein Quarzfenster angeordnet ist, so daß eine optische Beobachtung des Probestabes möglich ist.

In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispieles das erfindungsgemäße Meßverfahren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 im Längsschnitt das Kameragesichtsfeld für die Erfassung der der Einschnürung;

Fig. 3 im Längsschnitt das Kameragesichtsfeld für die Erfassung der Längenänderung.

Fig. 1 zeigt in Form eines schematischen Schaltbildes die prinzipielle Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Prüfkörper 3 (in diesem Beispiel ein Rohr) ist in einer hier nicht dargestellten Zugprüfmaschine eingespannt. Beispielhaft soll ein Warmzugversuch durchgeführt werden, was bedeutet, daß zur Erwärmung des Prüfkörpers 3 auf eine vorgegebene Temperatur dieser von einem hier nur skizzenhaft dargestellten Heizofen 5 umgeben ist. Damit die geometrischen Veränderungen des Prüfkörpers 3 kontinuierlich beobachtet werden können, sind im Heizofen 5 zwei Fenster 2, 6 angeordnet, die üblicherweise aus Quarz sind. Auf der einen Seite des Heizofens 5 befindet sich eine flächenhafte Hinterleuchtung 1, deren Mittelachse die Achse 4 des Prüfkörpers 3 im rechten Winkel schneidet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Heizofens 5 ist fluchtend zur Mittelachse der Hinterleuchtung 1 eine einen flächigen Matrixsensor (Fig. 2) aufweisende CCD-Kamera 7 angeordnet. Diese Kamera 7 ist elektrisch über ein Kabel mit einem Multiplexer 9 und nachgeschaltet mit einem Schwellwertoperator 10 und einer Auswerteeinheit 11 verbunden. Bezüglich der Art und Weise der Verarbeitung der empfangenen Signale wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen.

In Fig. 2 sind in einem Längsschnitt die Einzelheiten der Erfassung der geometrischen Konturänderung des Prüfkörpers 3 dargestellt. Damit das Gesichtsfeld 17 der auf den Prüfkörper 3 gerichteten Kamera 7 in einfacher Weise justiert werden kann ist es üblich, eine Probeneinspannung 13 der Prüfmaschine als Festpunkt vorzusehen und die gegenüberliegende Probeneinspannung 14 in Zugrichtung, hier dargestellt durch den Pfeil 16, verschieben zu lassen. Die Größe des Gesichtsfeldes 17 muß nun in bezug auf den Festpunkt und die zu erwartende Längenänderung des Prüfkörpers 3 so gewählt werden, daß sichergestellt ist, daß der vorher nicht genau bestimmbare Einschnürbereich des Prüfkörpers 3 innerhalb des Gesichtsfeldes 17 liegt. Von den insgesamt 625 zur Verfügung stehenden Zeilen des flächigen Matrixsensors sind in der Zeichnung gemäß Fig. 2 nur einige Zeilen 15 beispielhaft angedeutet, um die Darstellung zu vereinfachen.

Zur Verknüpfung der Meßdaten der Einschnürung mit denen der Längenänderung des Prüfkörpers 3 wird die Aufstellung einer zweiten Kamera 8 vorgeschlagen (siehe Fig. 1). Diese ist im rechten Winkel zur erstgenannten Kamera 7 angeordnet, wobei mittels eines Strahlteilers 12 die Strahlen der schon erwähnten Hinterleuchtung 1 auch auf den Matrixsensor dieser CCD-Kamera 8 fallen können. In der Beschreibung wurde bereits darauf hingewiesen, daß für diese eindimensionale Meßaufgabe der Längenerfassung nur ein optischer Schnitt erforderlich wäre, aber aus Gründen der Anwendung eines Multiplex-Auswertesystems hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auch dafür einen flächigen Matrixsensor zu verwenden. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, liegen die Zeilen 20 des Matrixsensors dieser Kamera 8 parallel zur Längsrichtung 4 des Prüfkörpers 3. Um nun die Längenänderung des Prüfkörpers 3 taktweise abfragen zu können, sind am Prüfkörper 3 in den Endbereichen nahe den Einspannstellen 13, 14 Meßmarken 18, 19 angeordnet. Auch bei dieser Meßaufgabe muß sichergestellt werden, daß das Gesichtsfeld 21 der zweiten Kamera 8 so gewählt und justiert wird, daß die größtmögliche Längenänderung des Prüfkörpers 3, d. h. die wandernde Meßmarke 19 noch im Gesichtsfeld 21 verbleibt.

Claims (7)

1. Verfahren zur berührungslosen Erfassung der äußeren Kontur eines langgestreckten Körpers, bei dem optische Schnitte senkrecht zur Längsachse des Körpers auf einen optoelektronischen Wandler abgebildet und das Bild der vor dem Hintergrund sich abhebenden äußeren Begrenzung des Körpers in elektrische Signale umgewandelt werden, aus denen die die äußere Kontur des Körpers beschreibenden Maße ableitbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des zeitlichen Verlaufes eines unter Belastung seine äußere Kontur ändernden Körpers eine Vielzahl über die Länge des Körpers verteilter optischer Schnitte in kurzer Taktfolge zeilenweise nacheinander elektronisch abgefragt und beim seriellen Einlesen der den Belichtungszustand charakterisierenden Spannungswerte je Zeile die Signale direkt so bewertet werden, daß die Gesamtinformation je Zeile auf die Ermittlung der Lage der Kanten des Körpers beschränkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlaufe der Messung das auszuwertende Meßfenster in Längsachse des Körpers eingeengt und auf den (die) die Konturänderung charakterisierenden Bereich(e) des Körpers beschränkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdaten der Konturänderung mit der die zeitliche Änderung der Kontur verursachenden Belastung verknüpft werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz größer gleich 20 Hz ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem auf den Körper gerichteten und im Abstand dazu angeordneten optoelektronischen Wandler, einer Hinterleuchtung sowie einer Steuer- und Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der einen flächigen Matrixsensor aufweisende optoelektronische Wandler ortsfest angeordnet und als eine an sich bekannte CCD-Kamera (7) ausgebildet ist und über Kabel mit einer mindestens einen Schwellwertoperator (10) und einen Zeilenzähler aufweisende Zeilen-Auswertungseinheit (11) verbunden ist, wobei die Zeilen (15) des Matrixsensors senkrecht zur Längsachse (4) des Körpers (3) ausgerichtet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein geregelter Schwellwertoperator (10) verwendet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im rechten Winkel zum ersten optoelektronischen Wandler ein weiterer Wandler ortsfest angeordnet ist, der ebenfalls einen flächigen Matrixsensor aufweist und als CCD-Kamera (8) ausgebildet ist und über Kabel mit der gleichen Zeilen-Auswertungseinheit (11) verbunden ist, wobei die Zeilen (20) dieses Matrixsensors parallel zur Längsachse (4) des Körpers (3) ausgerichtet sind.